两自由度系统和方法技术方案

提供了一种在患者体内沿着空间中的单线将销对准两自由度(2‑DOF)手持手术设备或在其中钻出通道的方法。相对于用于骨骼上的植入物或通道的期望位置来定义平面，其中植入物或通道具有轴线。将2‑DOF手术设备的末端效应器与平面对准重合，并且使2‑DOF手术设备侧到侧移动，直到当末端效应器与用于骨骼上的植入物或通道的期望位置的进入点对准时，第一指示器发出信号。将末端效应器的尖端在进入点处锚固到骨骼中，并且将2‑DOF手术设备围绕锚固的尖端旋转，直到当末端效应器在期望位置处与植入物或通道的轴线对准时，第二指示器发出信号。

【技术实现步骤摘要】
两自由度系统和方法
本专利技术一般涉及一种计算机辅助手术，更具体地，涉及一种用于沿着代表最佳和规划的轨迹的线而对准两自由度系统并且用于基于术前规划的最佳轨迹而在期望的位置和方向上将椎弓根螺钉对准并插入穿过椎弓根(pedicle)的方法。
技术介绍
两自由度(2-DOF)手术系统非常适合将销对准在平面上或沿平面切割。然而，2-DOF手术系统缺乏将销沿着空间中的单线对准(或钻出通道)的自由度。对于钻出骨通道(ACL重建)或将螺钉(例如，用于脊柱的椎弓根螺钉)插入骨中来说，具有在线上对准2-DOF系统的能力是特别有优势的。剩余的自由度在该应用中负责设备上的监控器的视觉反馈和闪烁光发光二极管(LED)脊椎，也称为脊骨或脊柱，是轴向骨架的一部分。脊椎由称为椎骨的分段系列骨骼组成，其中分段系列骨骼由椎间盘分开。脊椎容纳脊管，脊管是包围并保护脊髓的腔体。在人类脊椎中，通常有三十三个椎骨；上部二十四个通过椎间盘进行关节连接和分离，下部九个在成人中融合，五个在骶骨中融合，四个在尾椎或尾骨中融合。关节连接的椎弓根据其脊部的区域而被命名。有七个颈椎、十二个胸椎和五个腰椎。椎弓根是一块狭窄的骨头，呈密集的茎状结构，从椎骨的后部突出。每个椎骨有两个椎弓根。一系列椎弓根穿过脊柱并将横突与椎体结合。图1A和1B分别示出了脊柱10的分段和横截面视图。如图所示，脊柱10具有一系列椎骨12，这一系列椎骨12由椎间盘14彼此分开。椎弓根16从椎骨12延伸并将横突18连接到椎骨12。棘突20从椎板22延伸，其连接到横突18的相对侧。椎弓根螺钉是一种特殊类型的骨螺钉，设计用于植入脊椎弓根。椎弓根螺钉用于矫正畸形，和/或治疗对患者脊柱造成的创伤。椎弓根螺钉可用于仪器程序中，以将杆和板固定到脊部。螺钉还可以用于固定脊部的一部分以帮助神经元(脊髓、退出神经根、包含马尾神经的神经束)的减压和通过将骨结构维持在一起而融合。图2是插入患者脊柱10中的椎弓根螺钉24的X射线图像。目前，有几种可用的导航系统提供视觉反馈以帮助椎弓根螺钉对准穿过椎弓根。然而，当仅仅依靠视觉反馈时，试图将椎弓根在5-DOF上对准穿过这块狭窄的骨骼通常是困难且耗时的。随着椎弓根逐渐变窄，在脊柱的上胸部和颈部区域的程序变得更加困难。插入椎骨的椎弓根螺钉的位置和方向(姿态(POSE))对于安全和成功的结果是非常关键的。通常，外科医生规划并创建植入规划，从而植入的螺钉的最终放置可以为患者脊柱的分段提供必要的支撑或固定。即使临床上可接受的范围之外的小的植入对准偏差也与不太理想的结果和增加的随访手术率相关。尽管已经得到一种改进的系统和方法，用于基于术前规划的最佳轨迹在期望的位置和方向上将椎弓根螺钉对准并插入穿过椎弓根，仍需要系统改进以及一种使用2-DOF系统沿着空间中的单线将销对准(或钻出通道)的改进的方法。
技术实现思路
本文提供了一种沿着轴线对准2-DOF手持手术设备的方法。该方法包括相对于用于骨骼上的植入物或通道的期望位置来定义平面，其中所述植入物或通道具有轴线。将所述2-DOF手术设备的末端效应器与所述平面对准重合，并且使所述2-DOF手术设备侧到侧移动，同时所述末端效应器保持与所述平面重合，直到当所述末端效应器与用于骨骼上的所述植入物或通道的期望位置的进入点对准时，第一指示器发出信号。随后，将所述末端效应器的尖端在进入点处锚固到所述骨骼中，并且将所述2-DOF手术设备围绕锚固的尖端旋转，同时末端效应器保持与所述平面重合，直到当所述末端效应器在期望位置处与植入物或通道的轴线对准时，第二指示器发出信号。末端效应器随后被插入到骨骼中。一种用于实施该方法以沿着轴线将2-DOF手持手术设备对准的系统，包括计算系统、关节连接的2-DOF手术设备和跟踪系统。附图说明参考以下附图进一步详细说明本专利技术。这些附图并不旨在限制本专利技术的范围，而是说明其某些属性，其中：图1A和1B分别示出了脊柱的分段和横截面视图；图2是插入患者脊柱中的椎弓根螺钉的现有技术X射线图像；图3A和3B描绘了根据本专利技术的实施例的用于执行在患者脊柱中植入椎弓根螺钉并针对于膝盖手术过程；图4A和4B描绘了在手术系统中使用的手术设备；图5示出了根据本专利技术的实施例的椎弓根螺钉在患者脊柱中的植入；图6A和6B描绘了根据本专利技术的实施例的关节连接销/螺钉驱动器设备的横截面，其中图6A描绘了具有处于缩回状态的销/螺钉的设备，图6B描绘了具有处于伸展状态的销/螺钉的设备；图6C是示出了根据本专利技术实施例的销/螺钉驱动器设备的工作部分的多个部件的爆炸图；图7A和7B描绘并示出了根据本专利技术的实施例的附接到销-驱动器设备的骨骼稳定构件及其使用；图8A和8B描绘了根据本专利技术实施例的包围工作部分的部分外壳；图9A和9B描绘了根据本专利技术实施例的包围工作部分的完整外壳；图10描绘了根据本专利技术实施例的3D胫骨模型，带有具有轴线的骨通道的规划位置，以及相对于骨通道定义的虚拟平面；图11描绘了根据本专利技术实施例的与定义平面对准重合的两自由度(2-DOF)手术设备的末端效应器，其中2-DOF手术设备侧到侧移动，而末端效应器通过工作部分的致动而保持与定义平面重合；图12描绘了根据本专利技术实施列的锚固在胫骨中的末端效应器的尖端位于用于植入物或通道的定义位置的进入点，其中该尖端在当末端效应器与进入点对准时的指示器信号之后被锚固；和图13描绘了根据本专利技术实施例的2-DOF手术设备围绕锚固的尖端旋转，直到末端效应器与植入物或通道的轴线的定义位置对准，并且当末端效应器与轴线对准时第二指示器随后发信号至用户。具体实施方式本专利技术可用作一种方法和系统，以帮助外科医生有效且精确地将椎弓根螺钉定位穿过患者脊柱的椎弓根，以及使用2-DOF系统以将2-DOF手术设备的末端效应器沿着空间中的单线对准的改进方法。在一些实施例中，本专利技术的方法和系统的实施例利用两自由度(2-DOF)设备来帮助外科医生在对准术前规划的最佳轨迹的同时在期望的位置和方向上将椎弓根螺钉对准并穿过目标椎弓根。用于椎弓根螺钉放置的本专利技术方法和系统的实施例可以使用视觉反馈或其他机构来提供剩余的相关自由度上的对准。在特定实施例中使用手持式致动器有助于避免当钻子通过手持式致动器使用时(例如当使用机器人握持钻子引导装置时)由于钻子引导装置的意外机械偏转而导致关键方向不准确的可能性。该方法和系统对于脊部融合尤其有利，并且用于矫正畸形，和/或治疗脊柱的创伤，然而，应当理解，其他医学应用可以利用本文公开的主题，例如高胫骨截骨、脊部重建手术、以及其他需要精确放置螺钉植入的程序。本专利技术的各种实施例的以下描述并非旨在将本专利技术限制于这些特定实施例，而是使得本领域技术人员能够通过其示例性方面来制造和使用本专利技术。在本专利技术方法的实施例中，获取患者脊柱的图像。通过计算机断层摄影扫描仪、磁共振成像扫描仪、荧光透视、超声或其他体内询问扫描技术，可以在术前或术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种沿着轴线对准两自由度(2-DOF)手持手术设备的方法，包括：/n相对于用于骨骼上的植入物或通道的期望位置来定义平面，所述植入物或通道具有轴线；/n将所述2-DOF手术设备的末端效应器与所述平面对准重合；和/n使所述2-DOF手术设备围绕所述骨骼移动，同时所述末端效应器保持与所述平面重合，直到当所述末端效应器与以下中至少一者对准时，第一指示器发出信号：/n用于所述骨骼上的所述植入物或通道的所述期望位置的进入点；或/n所述期望位置处的所述植入物或通道的所述轴线。/n

【技术特征摘要】
1.一种沿着轴线对准两自由度(2-DOF)手持手术设备的方法，包括：
相对于用于骨骼上的植入物或通道的期望位置来定义平面，所述植入物或通道具有轴线；
将所述2-DOF手术设备的末端效应器与所述平面对准重合；和
使所述2-DOF手术设备围绕所述骨骼移动，同时所述末端效应器保持与所述平面重合，直到当所述末端效应器与以下中至少一者对准时，第一指示器发出信号：
用于所述骨骼上的所述植入物或通道的所述期望位置的进入点；或
所述期望位置处的所述植入物或通道的所述轴线。


2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
使所述2-DOF手术设备侧到侧移动，同时所述末端效应器保持与所述平面重合，直到当所述末端效应器与用于所述骨骼上的所述植入物或通道的所述期望位置的所述进入点对准时，所述第一指示器发出信号；
将所述末端效应器的尖端在所述进入点处锚固到所述骨骼中；和
将所述2-DOF手术设备围绕锚固的所述尖端旋转，同时所述末端效应器保持与所述平面重合，直到当所述末端效应器在所述期望位置处与所述植入物或通道的所述轴线对准时，第二指示器发出信号。


3.根据权利要求1所述的方法，还包括：将所述末端效应器插入到所述骨骼中。


4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一指示器和所述第二指示器是相同的指示器。


5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一指示器是以下中的至少一种：红色和绿色信号；和闪烁光，其基于所述末端效应器在所述期望位置与所述植入物或通道的所述进入点或轴线的对准接近程度来改变频率。


6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第二指示器是以下中的至少一种：红色和绿色信号；和闪烁光，其基于所述末端效应器在所述期望位置与所述植入物或通道的所述轴线的对准接近程度来改变频率。


7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一指示器采用监控器或向用户提供反馈的2-DOF手术工具的机载指示器来显示。


8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述机载指示器包括一个或多个发光二极管，用于当所述2-DOF手术工具与所述植入物或通道的所述进入点或轴线中的至少一个对准时的直接视觉反馈。


9.根据权利要求8所述的方法，还包括：在所述监控器上显示所述骨骼的虚拟模型，其中，定义的所述平面、所述植入物或通道的轴线和所述末端效应器的实时轴线叠加在所述骨骼的所述虚拟模型上。


10.根据权利要求9所述的方法，还包括：将叠加的所述末端效应器的所述实时轴线与叠加的所述植入物或通道的所述轴线对准。


11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述监控器还提供以下视觉反馈的至少一种：红色和绿色信号；和闪烁光，其基于所述末端效应器与所述进入点的对准接...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔尔·祖哈斯，斯坦·G·沙拉耶夫，
申请(专利权)人：思想外科有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US